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Kriechfestigkeit: Der Einfluss der Werkstoffauswahl und desGefüges anhand von Beispielen

Tobias Bollhorst Frank Gansert

13.07.2009

Tobias Bollhorst, Frank Gansert () Kriechfestigkeit 13.07.2009 1 / 17

Inhaltsangabe

1 Definition - Kriechen

2 Kriechstadien

3 Kriechmechanismen

4 Kriechbeständigkeit - Visualisierung

5 Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map)

6 Erhöhung der Kriechfestigkeit

7 Quellen


Definition - Kriechen

Definition - Kriechen

allgemeine Definition

Zeit- und Temperaturabhängige, plastische Verformung eines Werkstoffes verursachtdurch eine Last.

weiterführende Beschreibung

Belastung eines Werkstoffes bei homologer Temperatur ( TTm

) von mind. ∼ 0, 3− 0, 4unter einer konstanten Spannung, nimmt Dehnung des Werkstoffes mit fortlaufender Zeitzu. Kriechverformung hängt von einer mind. homologen Temperatur ab, dahochschmelzende Materialien eine hohe Bindungsenergie aufweisen.


Kriechstadien

Kriechstadien

Dehnungs-Zeit-Diagramm einerKriechkurve

[J. Rösler]

0. Beginn der Belastung →sofortige zeitunabhängigeDehnung ε0

I. Zunahme der Dehnung undmeist Abnahme derDehngeschwindigkeit

II. näherungsweise konstanteDehngeschwindigkeit

III. Großteil der Lebensdauervergangen,Kriechgeschwindigkeitnimmt stark zu,Materialversagen bzw. Bruch


Kriechmechanismen Versetzungskriechen

Versetzungskriechen

Durch Leerstellentransport unterstützteVersetzungsbewegung

Trifft Stufenversetzung auf Hindernis,bedarf es zum Ausweichen aufgrund derhohen T keiner zusätzlichen Spannung, wiebei tiefen T. Sie kann dies nun indem sieLeerstellen durch Diffusion anlagert oderaussendet (Senke oder Quelle).

Klettern

Versetzung bewegt sich senkrecht zu ihrerGleitebene auf eine andere Gleitebene [J. Rösler]


Kriechmechanismen Diffusionskriechen

Diffusionskriechen

Tritt bei hohen Temperaturen neben Versetzungkriechen auf

Leerstellentransport führt zu Deformationen. Korngrenzen treten hierbei anstelle derVersetzungen als Quellen und Senken für Leerstellen auf

Coble-Kriechen

Selbstdiffusion entlang von Korngrenzen(bei niedriger homologer T).

Nabarro-Herring-Kriechen

Selbstdiffusion durch dasMaterialvolumen (bei hoher homologerT).

[J. Rösler]


Kriechmechanismen Korngrenzengleiten

Korngrenzengleiten

Diffusionskriechen verursacht Änderung der Form der Körner; benachbarte Körner müssensich aneinander anpassen. Körner bewegen sich gegeneinander → Korngrenzengleiten.

+

Kompatibilität und Stabilität zwischenKörnern wird aufrechterhalten

-

An Punkten an denen sich 3Korngrenzen treffen, kann es zumAufreißen der Korngrenzen kommen →Vorzeitige Materialschädigung

[J. Rösler]


Kriechbeständigkeit - Visualisierung

Kriechbeständigkeit - Visualisierung

Zeitstandschaubild[J. Rösler]

Spannung bis zum Erreichen einerbestimmten plast. Dehnung füreine vorgegebene Temperatur überZeit aufgetragen.

Jeder Punkt entspricht einemVersuch → sehr aufwendig undteuer

Zeitstandfestigkeit (Ru/t/T )


Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map)

Deformation-Mechanism-Map (Ashby-Map)

Verformungsmechanismen-Diagramm (idealisiert)[J. Rösler]

UnterschiedlicheSpannungswerte undTemperaturen führenzu unterschiedlichenKriechverformungs-mechanismen


Erhöhung der Kriechfestigkeit Diffusion

Diffusion

Ursache für das Kriechen sind Diffusionsprozesse

Leerstellenbildung verhindern → hohe Bindungsenergie → hoher Schmelzpunkt

dicht gepackte Gitter sind zu bevorzugen → kfz, hdpDα−FeDγ−Fe

∼ 150 (Selbstdiffusion)

Grobes Korn ist günstig → lange Diffusionswege → die Verformungsgeschwindigkeitsinkt


Erhöhung der Kriechfestigkeit Gefügeoptimierung

Gefügeoptimierung

Körner in Belastungsrichtung strecken, vermindert Schubspannung entlang der KGRissausbreitung sinkt bei Versagen von KG → EinkristallZiehen von Drähten, Turbinenschaufeln (vorgegebene Belastungsrichtung)

[J. Rösler]


Erhöhung der Kriechfestigkeit Versetzungsbehinderung

Versetzungsbehinderung

Mischkristallhärtung: langsam diffundierende, hochschmelzende, Fremdatome, dieBindung mit Wirtsgitter eingehen(Molybdän, Wolfram, Rhenium)

Ausscheidungshärtung: prinzipiell ähnlich, die Ausscheidung muss jedoch stabil sein,Gegenbeispiel: Altern von Aluminium-Kupferlegierungen

Dispersionshärtung: Anziehungskraft zw. Dispersionteilchen und Versetzung

Oxidgehalt Temperatur Zeitstandfestigkeit (MPa)Material m% ℃ 1000h2024-T4∗ / 200 131

/ 300 24SAPr 865∗∗ 13 200 152

351 96482 55

*[aluselect] **[S. Ochiai]


Erhöhung der Kriechfestigkeit Zeitstandfestigkeit

Zeitstandfestigkeit in der Übersicht

Ru\100000\T [MPa]Temperatur in ℃ 420 450 500 550 600 700 800 900

ferritische StähleC 35 108 69 34

19 Mn5 136 85 4124 CrMo5 308 226 118 36

10 CrMo9-10 221 135 6813 CrMo4-4 285 137 49

21 CrMoV 5-11 410 349 212 92austenitische Stähle

X 5 CrNi18-10 127 74 30X 10 CrNiNb18-9 300 205 131 55 18

X 5 CrNiMo 17-12-2 145 52 23Nickelbasis-Superlegierungen, geschätzt

IN 738 360 155SC 16 240 110

[J. Rösler]


Erhöhung der Kriechfestigkeit Beispiel: Nickelbasis-Superlegierung

Beispiel: Ni-Basis-Superlegierung

„kohärente“ Phase (1% Abweichung)

andere Legierungselemente verringerndie Fehlpassung auf 0,2% - 0,1%

langsame Vergröberung dieser Phase,Einsatz bis 75% der Schmelztemperatur

hoher Ausscheidungsgehalt (≈ 70%),Versetzungen schneiden dieAusscheidungen erst bei hohenSpannungen → Versetzungsschlingen

>100MPa bei 1000℃ über mehrere1000h [J. Rösler]



Beispiel: Ni-Basis-Superlegierung

MAR-M 200

Al Ti W Cr Nb Co C B Zr Ni5 2 12.5 9 1 10 0.15 0.015 0.05 bal.

[F. Ashby]

horizontale Linien: nachteilige Beimen-gungengekreuzt: geringe Kriechbeständigkeits-erhöhung

[M. J. Donachie]



[F. Ashby]


Quellen

Quellen

[J. Rösler] Mechanisches Verhalten der Werkstoffe, Joachim Rösler, Harald Harders,Martin Bäker, 1. Auflage 2006

[F. Ashby] Deformation Mechanism Maps The Plasticity and Creep of Metals andCeramics, Harold J Frost, Michael F. Ashby,http://engineering.dartmouth.edu/defmech/

[S. Ochiai] Mechanical properties of metallic composites, Shojiro Ochiai

[aluselect] http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/07_creep_browse.asp

[R.C. Reed] The Superalloys Fundamentals and Application, Roger C. Reed, 1.Auflage 2006

HVAT-Metalle Skript zu Vorlesung, Prof. Dr. W. Reimers

The Physics of Creep, Frank Reginald Nunes Nabarro, Heidi L. De Villiers, 1993

[M. J. Donachie] Superalloys A Technical Guide, Second Edition, Matthew J.Donachie, Stephan J. Donachie, 2. Auflage 2002


http://engineering.dartmouth.edu/defmech/

http://aluminium.matter.org.uk/aluselect/07_creep_browse.asp

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